Robot con il tocco più umano

La “robotic dance” è, come dice il nome stesso, quel particolare tipo di danza che cerca di imitare i movimenti rigidi e spesso piuttosto impacciati dei robot che vengono associati agli androidi protagonisti di numerosi film di fantascienza. Questa percezione del movimento dei robot è frutto di sistemi di controllo imperfetti nei quali la retroazione non ha la precisione necessaria per arrestare il movimento finché non raggiunge una posizione prestabilita o un finecorsa. La realtà è comunque molto diversa come testimoniato dai robot presenti in una fabbrica o che si muovano silenziosamente sulle linee di assemblaggio o nei magazzini con una fluidità di movimento che gli esseri umani non sono in grado di replicare. In modo del tutto analogo, i sofisticati strumenti robotici usati da chirurghi e scienziati sarebbero in definitiva poco utili se il loro livello di precisione non fosse almeno paragonabile a quella dei loro operatori. Quindi, sia che si tratti di un braccio robotico, di un veicolo a guida autonoma o di qualcosa di simile ai robot dotati di gambe, braccia e facce animate anticipati dai film di fantascienza, la precisione di funzionamento dell’anello di controllo in retroazione è l’elemento grazie al quale è possibile garantire i movimenti “aggraziati” e l’accuratezza di posizionamento richiesta dalle attuali applicazioni. Questa precisione a sua volta dipende da una rete di sensori in grado di rilevare inclinazioni, rotazioni, accelerazioni, sollecitazioni, vibrazioni e prossimità. Grazie ai progressi nel campo della tecnologia Mems (sistemi micro-elettromeccanici) sono ora disponibili soluzioni in grado di soddisfare tutti questi requisiti.

Accelerometri per misurare l’inclinazione

Per inclinazione si intende generalmente la misura dell’angolo relativo a un piano o un asse di riferimento, come nel caso dell’inclinazione dell’asse terrestre. Nel campo della robotica, l’inclinazione è usata per determinare la posizione di un braccio robotico. Il calcolo dell’inclinazione può essere eseguito in un piano delimitato da due assi, con una misura di rotazione che fornisce ogni informazione sulla posizione del terzo asse che potrebbe essere richiesta oppure effettuato direttamente con una misura sui 3 assi. Nel caso in cui gli angoli di inclinazione sono misurati direttamente, per esempio ai giunti di un braccio robotico, per istruire il robot a spostare l’estremità del suo braccio lungo le coordinate X-Y desiderate è necessario ricorrere a complesse equazioni della cinematica inversa per calcolare i segnali richiesti per pilotare i motori dei giunti in modo da raggiungere la posizione prevista. Gli accelerometri forniscono un approccio alternativo per la misura dell’inclinazione: questi sensori, infatti, determinano una variazione nella direzione dell’accelerazione dovuta alla gravità (che è un tipo di accelerazione). Tale caratteristica è ben nota a chiunque possegga uno smartphone che integra sensori Mems a basso g per variare l’orientamento dello schermo del cellulare quando quest’ultimo viene ruotato. Un approccio di questo tipo è valido nel momento in cui il braccio del robot è soggetto solamente all’accelerazione statica dovuta alla gravità (ovvero all’interno di un range di ±1g) e non è influenzato da altri fattori, come nel caso in cui il braccio stesso stia urtando un oggetto o si stia approssimando al limite della corsa, situazioni che potrebbero dar luogo a un segnale più grande di ±1g. Per una semplice misura dell’inclinazione in uno spazio a 2 dimensioni, è possibile utilizzare un accelerometro a 2 assi per il rilevamento dell’inclinazione sull’asse x e sull’asse y. Questo metodo risulta efficace solamente nel caso di applicazioni in cui il piano cartesiano (X-Y) di funzionamento sia parallelo alla superficie della Terra, ovvero perpendicolare alla forza di gravità: in caso contrario la sensibilità della misura dell’inclinazione è ridotta. Gli accelerometri a 3 assi, come il dispositivo ADXL345 di Analog Device permettono di superare questa limitazione fornendo una soluzione per la misura dell’inclinazione nelle tre dimensioni. Sebbene il dispositivo in questione supporti risoluzioni di ±2g, ±4g, ±8g e ±16g, per la misura dell’inclinazione è consigliabile utilizzare la risoluzione di ±2g, in quanto garantisce il più elevato livello di accuratezza nella misura dell’accelerazione dell’inclinazione imputabile alla gravità, che è pari a ±1g (o metà del suo range di risoluzione pari a 13 bit).

Giroscopi per la misura della rotazione

Nel settore della robotica una rotazione o movimento angolare si manifesta nel momento in cui un braccio o un altro utensile, come un trapano o un cacciavite, ruota attorno a un asse singolo. La misura della rotazione può anche essere complementare alla misura dell’inclinazione su due assi in quanto da un lato fornisce un posizionamento completo nelle tre dimensioni e dall’altro consente di superare una limitazione intrinseca degli accelerometri a 3 assi. Tale limitazione si manifesta quando la rotazione avviene intorno all’asse Z che è perpendicolare alla Terra. In una situazione di questo tipo, non essendoci movimento nel piano X-Y, su questi due assi verrà misurata un’accelerazione nulla (0g), mentre sull’asse Z si continuerà a misurare la forza gravitazionale pari a 1g: per questo motivo non ci saranno variazioni nelle letture dell’accelerometro. Un giroscopio Mems è un sensore espressamente ideato per rilevare la rotazione mediante la misura del movimento di una piccolissima massa micro-lavorata che si muove all’interno del sensore rotante a causa dell’effetto Coriolis (Fig. 2). Poiché i giroscopi sono caratterizzati dal loro range e dalla loro sensibilità, è importante scegliere il dispositivo con le specifiche adatte per la particolare applicazione considerata. Il range è definito come la più elevata velocità di rotazione, espressa in °/sec che può essere misurata in modo preciso. La sensibilità, invece, è la variazione in uscita, in mV, a una data velocità ed è misurata in mV/°/sec. Il dispositivo FXAS21002C con risoluzione a 16 bit di Nxp è un giroscopio in grado di misurare la velocità angolare di imbardata (yaw), beccheggio (pitch) e rollio (roll) con un range dinamico di fondo scala regolabile compreso tra ±250°/s e ±2000°/s. Questo dispositivo compatto ospitato in un package Qfn a 24 pin è caratterizzato da consumi molto bassi (2,7 mA in modalità attiva) e può misurare velocità di rotazione fino a ±2000 °/s con velocità di trasferimento dati in uscita che può arrivare a 800 Hz. Il dispositivo garantisce una sensibilità, a livello di velocità di rotazione, pari a 0.0625°/s a ±2000°/s. Grazie al filtro passa basso integrato l’applicazione host può limitare l’ampiezza di banda del segnale digitale. Tra le altre caratteristiche da segnalare la presenza di interfacce I2C e Spi.

Il giroscopio a tre assi a 16 bit con uscita digitale I3G4250D di STMicroelectronics garantisce un’elevata stabilità in assenza di accelerazione (zero rate level) e mantiene un’elevata sensibilità nel tempo e al variare della temperatura. Gli utenti possono selezionare il fondo scala più adatto per le loro esigenze specifiche - ±245/±500/±2000°/s. Oltre all’elemento di rilevamento, il dispositivo integra tutte le interfacce per sensori necessarie. La velocità di rotazione misurata viene fornita attraverso l’interfaccia Spi (mentre è disponibile in opzione anche un’interfaccia I2C). L’intervallo di temperatura operativa è compreso tra -40 e +85 °C. Il giroscopio ADIS16266BCCZ di Analog Devices, realizzato sfruttando la tecnologia iSensor sviluppata dalla società, è caratterizzato da un’ampiezza di banda di 360 Hz. Questo dispositivo può essere utilizzato per la misura movimenti rotativi ad alta velocità grazie a un fondo scala di ±14.000°/s. Tra le altre caratteristiche da segnalare i controlli per la correzione della polarizzazione manuali e automatici.

Misura delle sollecitazioni con gli accelerometri

Nella misure di inclinazione effettuate con un accelerometro, non si ipotizzano altre accelerazioni dovute a sollecitazioni, come la rapida decelerazione che subisce un braccio robotico in movimento che si arresta improvvisamente nel momento in cui urta un altro oggetto. Una sollecitazione di questo tipo può essere chiaramente rilevata in modo molto semplice con un accelerometro, anche se molto probabilmente supererà il range di ±1g di un accelerometro usato per misurare l’inclinazione, in base al posizionamento dell’accelerometro. In altre parole, l’entità della sollecitazione sarà maggiore per un sensore posizionato all’estremità del braccio di un robot rispetto a quella rilevata da un sensore posizionato in prossimità del corpo del robot stesso. Un’altra differenza nel funzionamento richiesto agli accelerometri utilizzati per rilevare le sollecitazioni rispetto a quelli impiegati per misurare l’inclinazione è la velocità di risposta. Allo stesso modo in cui l’accelerometro di un disco rigido di un computer laptop deve “parcheggiare” le testine del disco nell’arco di pochi millisecondi per evitare di danneggiare la superficie del disco, l’accelerometro utilizzato per rilevare la sollecitazione in un sistema robotico deve segnalare un problema in tempi brevi al fine di prevenire potenziali danni al robot o all’ambiente immediatamente circostante oppure, nei casi più gravi, eventuali lesioni a un operatore. Per questa ragione è necessario scegliere con cura il posizionamento di questo accelerometro e le sue uscite devono essere attentamente monitorate al fine di assicurare l’esecuzione di azioni a elevata priorità.

Sensori Mems per rilevare le vibrazioni

In qualsiasi apparecchiatura il rilevamento delle vibrazioni è spesso strettamente correlato a problematiche di affidabilità e sicurezza: una vibrazione, in genere, è sintomo di malfunzionamento di un componente o di scarsa manutenzione. Nel caso dei robot industriali, il monitoraggio delle vibrazioni può essere necessario per assicurare un funzionamento sicuro su base continuativa o, nei casi estremi, utilizzato per implementare una routine di shutdown di sicurezza. I sensori di vibrazione basati sui Mems con transceiver Rf integrati possono rappresentare una soluzione di rilevamento estremamente efficace con la quale monitorare e registrare le vibrazioni in ambito industriale.

Accelerometri per la misura dell’accelerazione

Il movimento fluido dei robot e dei bracci robotici coinvolge fenomeni di accelerazione e decelerazione, ovvero di graduale incremento o diminuzione della velocità (specialmente nel momento in cui vengono attivati a partire da una posizione di riposo o devono ritornare in tale stato). È possibile utilizzare un accelerometro Mems dedicato per rilevare e controllare in modo accurato questo comportamento per consentire a un robot di approssimarsi con estrema precisione a un oggetto, prelevarlo e deporlo con cura nella posizione desiderata senza provocare danni di alcun genere. A questo proposito esistono dimostrazioni di robot capaci prelevare e trasportare un uovo senza farlo cadere o schiacciarlo. Nel momento in cui il robot è sotto l’influenza di forze esterne, la capacità di rilevare accelerazioni o decelerazioni eccessive può essere di vitale importanza per garantire la sicurezza delle operazioni.

La fusione dei sensori

Nel momento in cui aumenta l’utilizzo dei Mems nei sistemi di rilevamento, crescono le opportunità di impiego della cosiddetta fusione sensoriale. Con questa espressione si intende la possibilità di acquisire dati simultaneamente da differenti tipi di sensori (accelerometri, giroscopi, magnetometri e altri ancora) che, una volta elaborati mediante appositi algoritmi di filtraggio digitale, consentono ai progettisti di attenuare gli svantaggi tipici dei differenti tipi di sensore che si riscontrano quando questi vengono usati singolarmente. Ciò da un lato comporta un miglioramento delle prestazioni operative (in termini di accuratezza, linearità, rapidità di risposta e risoluzione) e dall’altro permette di affrontare in modo efficace il problema della deriva (offset) dei sensori. Tra gli altri vantaggi si possono annoverare la riduzione del costo della Bill of Material, del consumo di potenza complessiva e degli ingombri. Nel settore della robotica, la combinazione delle funzioni di rilevamento di un accelerometro a 3 assi e di un giroscopio a 3 assi permette di acquisire una misura precisa dei dati relativi alla velocità di rotazione quando il sistema è in movimento e di determinare con elevata precisione l’angolo di inclinazione quando il sistema è fermo. La combinazione di questi dati consente di avere una visione completa del movimento del robot (comprensivo di beccheggio, rollio, imbardata e così via).

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